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«Es gibt keinen anderen so realistischen Bewegungs-Flugsimulator mit Virtual Reality»: Guido Schuster im Interview

12.06.18 - Fliegen lernen – nur am Simulator: SRF-Digitalredaktorin Martina Gassner flog nach wenigen Stunden Training mit dem VR-Bewegungssimulator ein echtes Flugzeug. Prof. Dr. Guido Schuster erklärt, warum das mit dem an der HSR entwickelten VR-Bewegungssimulator möglich ist und was ihn von bisherigen Flugsimulatoren abhebt.

Was ist der VR-Bewegungssimulator? Was kann er?
Der VR- Bewegungssimulator ist ein dynamischer sechsachsigen Roboter mit hochsynchroner VR-Brille, den der Studiengang Elektrotechnik zusammen mit BRUNNER Elektronik AG und VRMotion GmbH gebaut hat. Er kann die sechs Freiheitsgrade eines starren Körpers animieren und eine Person, zusammen mit der VR-Software, komplett in ein Erlebnis eintauchen lassen.

Es ist also nicht nur ein Flugsimulator. Was kann er noch?
Er war auch schon ein Schlittelsimulator. Man kann auch eine Velo-Abfahrt mit ihm machen oder einen Basejump. Sehr beliebt bei den Kindern ist die Achterbahnsimulation. Er kann deinen Körper so bewegen, wie du willst. Diese nicht interaktive Simulation nennen wir Motion-TV, da es wie Fernsehen ist, aber mit 360-Grad-Rundumsicht und voller Bewegungsdynamik. Wir setzen dich rein, schnallen dich an und geben dir die Virtual Reality-Brille. Wir haben eine Software geschrieben, die durch einen Video-Stream gehen kann und sich fragt: Wie muss sich die Kamera bewegt haben, damit sie diese Aufnahmen machen konnte? Das sind 360-Grad-Aufnahmen aus erster Personenperspektive, also zum Beispiel Aufnahmen mit einer GoPro auf YouTube. Diese Software wendeten wir für unseren berühmten Adler-Flug an. Red Bull hatte einem Adler eine 360-Grad Kamera mit einem Gstältli auf den Rücken montiert. Er flog dann durch die Dolomiten. Sie stellten das auf YouTube, wir luden es herunter, liessen es durch unsere Software und jetzt kannst du auf dem Rücken eines Adlers über die Dolomiten fliegen. Sogar die am Adler vorbeiströmende Luft wird mit einem digital angesteuerten Ventilator simuliert.

Was ist denn genau der Unterschied zu anderen Flugsimulatoren?
Es gibt keinen anderen so realistischen Bewegungs-Flugsimulator mit Virtual Reality. Die, die es bereits gibt, sind, vereinfacht gesagt, aus Flugzeugen ausgeschnittene Cockpits auf sechs Stelzen mit einem guten Hydraulik-Antrieb, einem grossen Kompressor und viel Software drum herum. Sie kosten mehrere Millionen Franken aufwärts. So werden Piloten trainiert. Sie sind träge und du kannst nie solche Manöver fliegen wie mit unserem Simulator. Solche Simulatoren haben Bildschirme anstelle von Fenstern, aber keine VR-Brille und ihre Grafik-Auflösung ist auf einem ganz anderen Niveau als unsere. Es ist kein Vergleich. Man hat nie wirklich das Gefühl, in einem echten Flugzeug zu sitzen, während man bei uns nie wirklich das Gefühl hat, in einem Simulator zu sitzen.

Wer war an der Entwicklung des VR-Bewegungssimulators beteiligt?
Wir haben hier an der HSR alles selber gemacht. Wir haben schnell herausgefunden, dass ein so dynamischer und präziser VR-Bewegungssimulator nur möglich ist, wenn man jedes Detail vollständig unter Kontrolle hat. Die Aktionen bzw. Animationen müssen auf die Millisekunde genau synchronisiert sein, sonst funktioniert die Immersion nicht. Somit wurde jedes Blech selber gezeichnet, jeder Print selber entwickelt, sämtliche Elektronik selber gebaut, die ganzen Kommunikationssysteme selber gemacht, die Physik selber hergeleitet, die mathematischen Modelle entwickelt, die anspruchsvollen Regeltechnikprobleme gelöst usw. Die Entwicklung ist vom Studiengang Elektrotechnik getrieben und diese Arbeiten wurden von HSR Elektrotechnikingenieuren gemacht, aber wir hatten immer wieder Hilfe von der Maschinentechnik und aus der Informatik. Es laufen auch immer wieder Bachelor-, Studien-, und Masterarbeiten darauf. Zum Beispiel wurde die erste Stufe des sogenannten Motion Cueing von Studierenden entwickelt.

Motion Cueing?
Der Simulator kann dich ja nur über eine gewisse Distanz beschleunigen, dann steht er vorne an. Er kann dich auch nicht vollständig drehen. Die Idee des Motion Cueing ist, dass wir den Simulator nicht so bewegen, wie es im Film wäre, sondern so, dass es im Kopf richtig ankommt. Im Mittelohr hast du ja das Ventrikel System, deinen Orientierungssinn. Dieser ist beim Menschen sehr schlecht ausgeprägt. Ohne Augen geht gar nichts. Das kannst du ausprobieren, indem du dich auf ein Bein stellst. Mit offenen Augen kannst du das lange ohne Probleme. Mit geschlossenen Augen hast du schon nach 15 Sekunden Mühe, weil du den Horizont nicht mehr siehst. 

Und das habt ihr ausgenutzt?
Diesen Umstand nutzt man, genau. Wir müssen den Simulator also gar nicht die wahre Bewegung machen lassen, sondern wir müssen einen Kompromiss finden zwischen dem, was der Simulator kann und dem, was beim Gehirn ankommt. Die Studierenden haben ein mathematisch-physikalisches Modell des menschlichen Wahrnehmungsvermögens elegant ausgenutzt. Wir haben ein mathematisches Modell des Simulators, wir haben, was wir im Kopf erreichen wollen und wir nutzen das, was der Simulator effektiv kann. Alle diese Probleme lösen wir gleichzeitig, um einen Kompromiss zu finden. Dies wird mit einem klassischen Regelungstechnikansatz implementiert. 

Der Simulator vermittelt einem das Gefühl, sich so zu bewegen, wie man auf es dem Screen sieht, obwohl er die Bewegungen nicht genau so ausführt?
Genau. Und das ist ein total überzeugendes Gefühl. Das hat den Effekt, dass die Leute schwören, sie hätten einen Looping gemacht, obwohl der VR-Simulator das gar nicht kann.

Das SRF strahlte kürzlich eine Video-Serie aus, in der Martina Gassner innerhalb kürzester Zeit auf dem VR-Bewegungssimulator fliegen lernt…
Ja genau. Während zwei Wochen hat sie fünf Sessions auf dem Simulator gemacht. Die Geschichte ist sehr spannend. Sie ist der erste Mensch auf der ganzen Welt, der gelernt hat, ein richtiges Flugzeug zu fliegen – nur mit einem VR-Bewegungssimulator. Im letzten Video sieht man, wie sie ein richtiges Flugzeug fliegt und dass sie eigentlich Flugangst hat. Das ging Richtung Panik. Aber sie war so geübt, dass die Handgriffe sassen. Die konnte sie auswendig. Besonders eine Landung von ihr war so schön, da wärst du als gestandener Pilot stolz gewesen. Das ist schon beeindruckend.

Das zeigt ja auch, dass Skills, die man auf so einem hochpräzisen Simulator lernt, transferierbar sind. Deshalb ist er so wertvoll. Klar ist es lustig, mit ihm zu spielen aber, was uns eigentlich interessiert, ist: Kann man in einer Virtual Reality-Umgebung Fähigkeiten lernen, die man im echten Leben brauchen kann? Oder Fähigkeiten, die in der echten Welt eventuell gefährlich und/oder teuer zu erlernen sind? Martina war eigentlich unser Beweisstück. Sie zeigte: Das geht tatsächlich.

Prof. Dr. Guido Schuster ist Professor für Elektrotechnik an der HSR und Institutspartner am ICOM Institut für Kommunikationssysteme. Er ist Leiter des HSR VR-Bewegungssimulator-Projekts.

Der VRMotion wurde und wird an der HSR in Zusammenarbeit mit HSR Studierenden, Mitarbeitenden des ICOM und den Firmen BRUNNER Elektronik AG (Bau) und VRMotion GmbH (Experiences, Events & Solutions) entwickelt. Ein Teil der Arbeit wird durch die Innosuisse als KTI Projekt 25295.1 PFIW-IW finanziert.

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